吸波涂层复合面料的制备及其吸波性能
吸波涂层复合面料的制备及其吸波性能
依据单层吸波体传输线理论，结合计算机辅助设计选配合适的吸波粉体，以铜镍镀层织物和金属纱线混纺织物为基布，以聚氨酯为基体，制备 1. 5 mm 涂层厚度的柔性纺织涂层复合面料。对吸波粉体的电磁特性进行测试和分析，考察分析了 2. 6 ～ 18. 0 GHz 范围内吸波粉体与基体的不同混比及基布对反射损耗的影响及其机制。结果表明，在一定范围内随吸波粉体体积分数的增加，吸波效能提升，频段拓宽，反射损耗曲线的峰值向低频移动。以金属纱线混纺织物为基布的涂层面料的吸波效果优于铜镍镀层织物为基布的涂层面料。
随着电磁波屏蔽与吸波材料技术的快速发展，人们对吸波材料提出了更高的要求，即宽、轻、薄、强。提高电磁波吸收率是吸波材料的目标，吸波体设计主要包括: 吸波效能设计、频宽设计、形状和厚度设计。在设计过程中，需要考虑其应用价值及成本，往往很难兼顾宽、轻、薄、强。现行吸波体的设计是在已有理论的指导下通过实验不断调整和改进完成的。在传输线理论的指导下结合计算机辅助设计，选配密度和价格低的乙炔炭黑，其对高频具有较好的吸波效果，另选配磁损耗率高的羰基铁粉，其对低频具有较好的吸波效果，但因密度大，在某些领域可能限制了其应用。纺织吸波材料的研发也成为一个研究热点，以非织造布为基布，采用复合叠层式结构制备非织造布涂层吸波材料，通过控制吸波涂层的成分组成并设计合理的叠层结构，改进材料的吸波性能并有效降低材料面密度。
于名讯等以仿抄纸装置及湿法纺织工艺，制备厘米波/毫米波兼容隐身湿纺织物，研究了隐身湿纺织物在 8 ～ 12 GHz 和30 ～ 40 GHz 频段的吸波性能。E． Tan 等讨论了以陶瓷纤维为基布，碳化硅为基体的不同组合的多层织物和不同氧化程度对织物吸收电磁波能力的影响，认为在千兆赫范围内，织物有很好的减少反射和传递的效果，可吸收 90% 以上的电磁波。针对铁纤维的吸波性能和可纺性能，研究了其微观形态、力学性能及摩擦性能，预测铁纤维吸波材料顺利纺纱的可操作性。本文以铜镍镀层布和金属纱线混纺布为基布，利用其面密度低，厚度薄，柔性好等优点，通过在基布上涂覆吸波剂，重点研究了吸波粉体混比的变化及基布对涂层面料吸波性能的影响。
1 试样制备与试验方法
1. 1 原 料
试验基布为铜镍镀层布( 涤纶长丝机织面料，厚度为 0. 08 mm，面密度为 70 g /m2) ; 金属纱线混纺织物( 30% 302 不锈钢金属纤维 + 40% 棉 + 30% 涤纶，厚度为 0. 3 mm，面密度为 180 g /m2) 。PU 黏结剂; 偶联剂; 稀释剂 DMF，稀释剂甲苯; 分散剂OP-7;吸波粉体乙炔炭黑( ACB) ，密度为 0. 067 g /cm3; 吸波粉体羰基铁( CIP) ，密度为 3. 7 g /cm3。
1. 2 试样的制备
将不同比例的吸波剂( 乙炔炭黑，羰基铁) 加入稀释剂 DMF-甲苯和分散剂 OP-7 中，用 JB500D 电动搅拌机搅拌 10 min，加入黏结剂 PU( 固含量为30% ) 再用电动搅拌机以 1 500 r / min 的速度搅拌60 min，制成吸波涂料。将不同比例吸波剂的吸波涂料调至适当黏度，利用涂层小样机在铜镍镀层布和金属纱线混纺织物上涂覆相应的厚度，在 HD101A 电热鼓风烘箱内固化。多次涂覆以达到理想厚度，即得所需的吸波涂层面料。设计的单 层 吸 波 体 的 结 构 模 型 如 图 1所示。模型中基布作为电磁波屏蔽材料，视为理想导体，使得基布和涂层边界只有反射而无透射。吸波涂层面料吸收电磁波的基本要求是满足阻抗匹配原则和大化衰减原则，输入阻抗公式是建立在基布图 1 吸波涂层面料结构模型可被看作理想导体的前提下的，根据电磁波传输理论，单层吸波材料与空气形成界面的反射率 式中: d 为吸波材料的厚度; λ0为电磁波在真空中的波长或电磁波在自由空间的波长; ε'和 ε″为相对复介电常数的实部和虚部; μ'和 μ″为相对复磁导率的实部和虚部。电磁波在材料中的传播系数 γ利用式( 1) ～ ( 5) 吸波体传输线理论和多目标优化计算的方法，开发了吸波材料的优化设计软件，可在软件中导入吸波粉体和黏结剂电磁参数 ε'、ε″、μ'、μ″建立数据库，输入预期的涂层厚度、层数和损耗介质混比。
通过这个软件可计算出采用不同混比的吸波粉体和厚度制备的涂层织物的电磁参数及反射损耗趋势。本文选取了十几种常见的吸波粉体，利用吸波材料的优化设计软件，以 2 ～ 18 GHz 整体吸波效果优为导向，系统选配了乙炔炭黑和羰基铁，结合涂层面料的实际应用，制备了涂层厚度均为 1. 5 mm 的样品，如表 1 所示。以体积分数为 40% 的羰基铁粉为例，计算机辅助设计的结果如图 2 所示。需要说明的是，计算机设计的终结果是理想化的，是基于羰基铁粉颗粒在基体中均匀分散，涂层工艺控制相当完善的基础上的，实际操作中还存在着许多不可控因素和误差，但是反射损耗趋势可以直观地反映出来。1. 3 性能测试乙炔 炭 黑 和 羰 基 铁 的 形 貌 特 征 用 KYKY-2800B 型扫描电镜进行表征。乙炔炭黑和羰基铁的电磁参数用 AligentE8363B 矢量网络分析仪采用同轴传输/反射法进行测量，将粉体( 羰基铁粉和炭黑) 与树脂均匀混合，羰基铁粉和炭黑的粉体填率分别为 89% ( 质量分数) 和 5% ( 质量分数) 。
用专用模具压制成厚度为 2 mm，内径为 3 mm，外径为7 mm 的同轴试样进行测量。参照 SJ20512—1995《微波大损耗固体材料复介电常数和复磁导率测试方法》测试。吸波涂层面料的吸波性能用矢量网络分析仪在微波暗室中采用反射率弓形测量法进行测试，测试角度为 15°，测试范围为 2. 6 ～ 18. 0 GHz，参照 GJB2038—1994《雷达吸波材料反射率测试方法》测试。
结果与讨论2. 1 吸波粉体的形貌特征图 3 示出乙炔炭黑和羰基铁粉的扫描电镜照片。从图 3( a) 中可知乙炔炭黑的形态呈现球形，粒径很小约 20 nm，具有多孔隙，由于颗粒在纳米级尺寸团聚现象明显，呈多孔结构; 从图 3( b) 中可知羰基铁呈现球状形态，较小的羰基铁颗粒团聚在较大的羰基铁颗粒附近，粉体的粒径在 2 ～ 6 μm。2. 2 吸波粉体及黏结剂的电磁特性乙炔炭黑电磁特性如图 4 所示。图 4( a) 表明乙炔炭黑的介电常数实部 ε'在 6. 5 ～ 10. 0 之间，ε'值随着频率的升高而降低，虚部 ε″在 1. 4 ～ 2. 2 之间，ε″值在 10 GHz 左右达到大，可见乙炔炭黑粉体在高频具有优良的吸波效果。如图 4( b) 所示，乙炔炭黑的磁导率实部 μ'和虚部 μ″接近 1 和 0，表明乙炔炭黑的磁损耗能力较弱，属介电损耗型吸波剂。羰基 铁 电 磁 参 数 变 化 规 律 如 图 5 所 示。图 5( a) 表明羰基铁的介电常数 ε'在 20 ～ 34 之间，虚部 ε″在 2 ～ 8 之间。图 5( b) 表明羰基铁的磁导率实部 μ'在 1 ～ 8 之间，虚部 μ″在 1 ～ 3 之间，羰基铁磁导率的实部和虚部均随着频率升高而减小，磁损耗主要通过自然共振产生，在整个测试频段内都拥有较好的磁损耗能力。
2. 3 涂层面料的吸波性能
2. 3. 1 吸波粉体对涂层面料吸波性能的影响吸波粉体及其与基体不同混比对涂层面料吸波性能的影响是为主要的，如图 6 所示。可知提高吸波粉体中炭黑的体积分数，可以显著提高其吸波效果，炭黑的体积分数为 40% 时，反射损耗在 0 左右，此时输入阻抗 Z≈0，反射率 Ｒ≈0。当炭黑的体积分数达到 60% 时，小于 － 6 d B 的反射损耗可达到7 GHz左右，小反射率达到 － 26 dB。而炭黑体积分数持续增加到 80% 时，反射损耗曲线的峰值向低频移动，但是整体的反射损耗下降了。产生以上现象的原因可能是由于炭黑体积分数的增加，
使基聚氨酯的连续性降低，而炭黑在基体聚氨酯中的连续性增加，炭黑颗粒的间距减小，在基体聚氨酯中形成了导电链，这事实上增大了吸波涂层面料的电阻损耗，有利于电磁能转变为热能，使其吸波效果增强。炭黑含量的增加会导致其界面极化，而界面极化象在低频段表现特别明显，所以吸波粉体体积分数增加引起其低频吸波效果提高。但是，过多炭黑的加入，会引起电导率的升高导致趋肤深度减小( 趋肤深度 δ = ( πfμσ)－ 1 /2，μ 为材料相对铜的磁导率; σ 为材料相对铜的电导率; f 为电磁波的频率，Hz) ，电磁波则不能入射到吸波体内部，反而由于较大的电导率被反射出去，并不能使介电损耗增加，反而会下降，因此整体的吸波效果会减弱。本文只研究了羰基铁粉体积分数为 40% 的情况，由于过多羰基铁粉的加入，会使涂层织物的黏结牢度降低，质量增加，成本提高。羰基铁粉体积分数达到 40% 时，小于 －6 dB的反射损耗的频段从 10. 9 GHz 至可测的高频段，小反射率达到 － 22. 6 dB。对于电磁波的吸收，羰基铁粉主要通过极化效应和自然共振产生，自然共振是其吸波的主要机制，推测羰基铁粉体积分数的增加会引起其反射损耗曲线的峰值向低频移动。
2. 3. 2 基布对涂层面料吸波性能的影响分析图 6 可知，铜镍镀层基布和金属纱线混纺布吸波涂层面料的吸波曲线的趋势基本一致。与铜镍镀层基布( CNCF) 相比，金属纱线混纺布( MYBF)涂层面料反射损耗小于 － 6 dB 的频段更宽，反射损耗小峰值点更低，反射损耗曲线向低频方向移动了 3 GHz 左右。这 2 种导电基布的屏蔽性能存在一定的差异，金属纱线混纺基布是将不锈钢纤维抽成细丝，在布料内部形成网格结构。这种不锈钢纤维网可屏蔽电磁波，当不锈钢网格孔径小于电磁波波长四分之一时，就能有效屏蔽电磁波，其屏蔽效能与金属丝直径、间距及单位长度的电阻有关。铜镍镀层基布是在纺织品上采用真空蒸发或磁控溅射的方式镀膜后，
再用复合镀工艺镀上铜镍金属层，使布基上形成一层金属膜、网，二者都是有孔洞的。施楣梧等的研究表明孔洞的尺寸、形状和间距对纺织品的屏蔽效果有重要影响，铜镍镀层基布因反射完整，孔洞的尺寸小，导电性能好，屏蔽效能高于金属纱线混纺基布。可见金属衬底的屏蔽效果对吸波材料的吸波性能影响不大，但相对铜镍镀层基布，在 2 ～ 18 GHz 频率范围内 302 不锈钢纤维混纺基布电磁参数符合吸波剂频谱响应特性要求，金属纱线混纺基布本身具有一定的吸波性能，其已超出金属衬底的屏蔽作用而成为电磁波吸收层。涂层面料吸波损耗曲线偏向低频可能也是因界面极化用，吸波涂料与金属纱线混纺基布更易产生黏结，涂料充分填充到纱线间的孔隙中，并且与纱线的毛羽牢固结合，
2 种基布同样有孔洞可以供树脂渗入到织物的纱线之间，但金属纱线混纺基布的孔洞远远大于铜镍镀层基布，使涂料与金属纱线织物填充率和接触面积大于铜镍镀层织物，大量的电子聚集在基布与涂料的界面上，使其吸波效果明显增强。结 论利用吸波体传输线理论和多目标优化计算的方法对吸波涂层面料反射损耗趋势进行了模拟，制备了厚度为 1. 5 mm 的吸波涂层面料，测量分析了乙炔炭黑和羰基铁粉的电磁特性，比较了铜镍镀层导电基布和金属纱线混纺基布的性能，研究了乙炔炭黑和羰基铁粉及其混比对材料吸波性能的影响，基布对吸波性能的影响。
结果表明，乙炔炭黑具有良好的电损耗性能，在一定范围内随着其体积分数的增加，反射损耗的效果增强，反射损耗曲线的峰值向低频移动，吸收频段拓宽，羰基铁的电磁特性显示了其良好的磁损耗特性。基布的不同也导致其吸波效果的差异，涂层后，金属纱线混纺织物相比铜镍镀层基布反射损耗小于 － 6 dB 的频段更宽，反射损耗小峰值点更低，反射损耗曲线的峰值向低频方向移动了 3 GHz 左右。本文研究结果为涂层基布选取提供了一定的参考。sdfwefwegre
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